孙铭雨,辛 婧,程爱斌,吴 静 综述 门秀丽 审校
目前,各种饮食治疗改善代谢疾病的方法受到越来越多的关注,大量文献报道了各种形式饮食治疗方法的益处。间歇性禁食(intermittent fasting,IF)已被提出作为一种潜在的干预手段来治疗肥胖和代谢性疾病,动物和人类试验的研究表明,IF在改善代谢紊乱中的作用超出了热量限制的作用[1],IF不仅能够减轻体质量,改善糖脂代谢,优化肠道微生物群、调整代谢紊乱[2-3],还在预防或治疗多种慢性疾病方面展现出一定潜力,包括糖尿病、心血管疾病、癌症、多发性硬化、神经退行性脑病等[4-8]。与热量限制不同,IF是通过平衡自由进食和限制摄食来达到预防或改善疾病的目的,一般包括隔日禁食(alternate-day fasting,ADF)、限时禁食(time-restricted feeding, TRF)和全天禁食(whole-day fasting,WDF)。本文主要综述IF对代谢相关脂肪性肝病(metabolic associated fatty liver disease,MAFLD)的作用。
IF是一种禁食与进食交替进行的饮食方案,在特定时间内自由进食,随后一段时间限制能量摄入或者严格禁食,形成稳定的生物节律以达到调节机体代谢平衡的目的。禁食的起源与西方宗教有关,在我国最早的应用可追溯到古代,“辟谷”是我国古人常用的一种养生方式,源自养生方中的“不食五谷”,即不吃五谷杂粮,以药食等其他之物充腹,或在一定时间内断食以达到延年益寿的目的。目前,已有IF方案应用于临床,作为一种新形式的饮食限制方式取得良好效果。
1.1 IF类型目前已经提出几种IF方案,常见的方法包括:① ADF:即24 h自由进食,24 h禁食或低能量摄入;② 5 ∶2饮食:即每周5 d进食,2 d为断食日,断食日热量摄入限制在500～1 000 kcal;③ 限时进食(TRF):TRF形式多样,目前应用比较广泛的主要是16 ∶8、18 ∶6进食模式,16 ∶8即禁食16 h后进食8 h,18 ∶6即禁食18 h后进食6 h。另有文献[9]表明隔日过午不食效果显著,即当日12:00-次日08:00禁食,然后恢复进食,直到第3天中午再次禁食。
1.2 IF对机体糖脂代谢的影响
1.2.1IF对糖代谢影响 许多动物和人体研究发现IF可以在多种饮食条件下降低空腹血糖和胰岛素水平,同时改善葡萄糖耐量和胰岛素抵抗。Sutton et al[10]首次设计了早期限时饮食(early time-restricted feeding,eTRF)实验,糖尿病前期的男性患者被随机分配到eTRF组(6 h自由进食期:08:00—14:00,15:00前吃晚饭)或对照组(12 h自由进食期:08:00—20:00)5周。结果显示,虽然5周的eTRF并没有改善葡萄糖水平,但它大大降低了胰岛素水平,改善了胰岛素敏感性和β细胞反应性。一项在非肥胖健康志愿者中进行的TRF的随机对照试验也得出了相同的结论,证明eTRF改善了胰岛素敏感性[11]。表明IF在改善胰岛素敏感性方面具有一定益处。
1.2.2IF对脂质代谢的影响 IF改善脂质代谢的机制主要与调节脂蛋白、胆固醇和三酰甘油有关,一是IF通过提高脂肪酸氧化能力和调节载脂蛋白来改善脂蛋白代谢;二是IF降低胆固醇酯转移蛋白的表达,从而降低高密度脂蛋白的转移[12]。Papazoglou et al[13]通过研究宗教禁食人群的血生化指标发现,禁食后空腹血糖、总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇和三酰甘油水平显著降低,另有两项研究[14-15]也得出了类似的结论。表明IF可通过调节脂蛋白、胆固醇、三酰甘油等途径改善机体代谢平衡。
2型糖尿病是一种慢性代谢性疾病,其主要特征是胰岛素抵抗和血糖水平升高,糖尿病肝脏损伤是2型糖尿病主要的并发症之一,其最重要的表现是非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)[16]。目前普遍认为NAFLD是起源于全身代谢功能障碍的慢性疾病,是代谢综合征的肝脏表现。近年来已将NAFLD重新命名为MAFLD[17-19]。MAFLD包括一系列肝脏组织学异常,从轻度脂肪变性到脂肪性肝炎、肝纤维化和肝硬化。病理生理学机制主要与基因遗传易感性、游离脂肪酸累积和有毒脂质物质的产生、肝应激机制的激活、氧化应激与线粒体功能障碍、内质网应激、炎症小体激活、促炎细胞的募集和活化、脂肪组织的调节、肝星状细胞的激活、肝星状细胞代谢的变化、游离胆固醇介导肝星状细胞活化、肝细胞介导肝星状细胞活化等生物过程有关[20]。
3.1 IF通过调控胰岛素抵抗和糖代谢缓解MAFLD流行病学上,胰岛素抵抗和2型糖尿病与MAFLD密切相关,被认为是MAFLD发生发展的危险因素[21]。糖尿病发生时,患者糖代谢出现异常,过多的糖原储蓄于肝脏细胞内引起的糖基化反应,可造成肝脏微小血管功能和结构的改变,导致肝脏器质性损伤。此外,胰岛素抵抗和糖代谢紊乱促进MAFLD向代谢相关脂肪性肝炎的发展[22]。
动物实验表明,IF饮食改善糖代谢,并显著改善胰岛素抵抗。Liang et al[23]通过高脂饮食联合链脲佐菌素注射建立了大鼠胰岛素抵抗模型,以探讨IF疗法治疗胰岛素抵抗的相关机制,结果表明IF增加了葡萄糖转运蛋白1 (glucose transporter type 1,GLUT1)、胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)和IRS2在大鼠脂肪组织和3T3-L1脂肪细胞中的表达。此外,IF疗法显著缓解了大鼠肝脏中的脂质积累,通过抑制核苷酸结合寡聚结构域(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)炎症小体可改善大鼠高脂肪饮食和链脲佐菌素诱导的胰岛素抵抗。马澜婧 等[24]通过研究IF对葡萄糖内稳态的影响发现,小鼠IF 12周后,经腹腔注射葡萄糖血糖上升幅度减轻,腹腔注射胰岛素后血糖下降比例增加,糖耐量试验曲线下面积均明显减低,表明经过IF后胰岛素敏感性增加。另有研究[25]也得出了相似的结论,对高脂饮食诱导的肥胖小鼠,IF可降低腹腔葡萄糖耐量试验中多点血糖值、血糖-时间曲线下面积、糖基化血红蛋白水平和稳态模型胰岛素抵抗指数值。
临床研究表明,禁食12～24 h,机体血浆葡萄糖水平、肝脏葡萄糖输出下降≥20%[26],一项系统评价旨在评估IF对肥胖和2型糖尿病成人血糖控制和身体成分的影响,研究者评价了三种不同的IF方案,即ADF、TRF、能量限制进食,所有禁食方案都显示出强有力的证据支持IF作为一种可行的饮食模式,可以在 12～24 周内改善血糖和身体成分[27]。
目前尚没有直接的研究证明IF通过调控胰岛素抵抗和糖代谢缓解MAFLD,综上可推测,IF通过改善胰岛素抵抗和糖代谢等MAFLD发生发展的危险因素来缓解MAFLD进程。
3.2 IF通过调控脂代谢改善MAFLD当肝脏从外周循环和新生脂肪生成中摄取脂肪酸和三酰甘油过多,超过脂肪酸β氧化极限和极低密度脂蛋白饱和输出速率时,就会产生MAFLD。紊乱的脂质代谢也与MAFLD从脂肪变性进展为脂肪性肝炎有关,是MAFLD进展的危险因素之一[28]。
IF通过减少脂肪酸的摄取和合成以及增加脂肪酸的分解代谢来减轻脂质沉积,从而缓解MAFLD进程。有研究[29-30}]表明,IF小鼠表现出明显的体质量减轻,改善了MAFLD组肝脏组织中FAS和过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator activated receptor alpha, PPARα)基因的异常表达,其脂质代谢显著改善。邓亚 等[25]研究发现IF降低了肥胖小鼠血浆中总胆固醇、三酰甘油和低密度脂蛋白的浓度,升高高密度脂蛋白的浓度,减轻肝脏脂肪变性的严重程度,下调肝脏中涉及脂质合成、转运、分解相关基因的表达。此外,载脂蛋白A是高密度脂蛋白的前体,研究[31]表明,IF可能增加肝脏中载脂蛋白A(apoli poprotein A,apo A)和载脂蛋白B(apoli poprotein B,apo B)的产生,通过apo A的产生,血清高密度脂蛋白增加,从而间接缓解MAFLD。
多项临床实验证实了IF可以改善全身脂质代谢并减轻体质量,Ezpeleta et al[32]研究了ADF联合有氧运动对MAFLD成人肝脏脂肪变性的影响,3个月后,联合治疗显著降低了肝脏脂肪变性、体质量、脂肪质量、腰围和谷丙转氨酶水平,并增加了胰岛素敏感性。最新的一项研究旨在探讨限时饮食和热量限制对MAFLD患者体内三酰甘油含量和代谢风险因素的影响, 该研究[33]表明,在MAFLD肥胖患者中,限时饮食可显著降低其肝内脂肪含量和代谢风险因素。
上述研究表明,IF过程中代谢相关基因表达的改变和脂肪酸氧化增强在改善脂质代谢和降低脂质水平方面具有重要作用,这可能是延缓MAFLD进展的关键因素。
3.3 IF通过线粒体途径缓解MAFLD线粒体是维持生命活动的多功能细胞器,人体90%的ATP是由线粒体中的氧化磷酸化产生的,而产生ATP所需要的能量由线粒体氧化体系提供,肝脏线粒体的主要作用是通过氧化包括氨基酸、丙酮酸和脂肪酸在内的底物来产生能量。肝脏线粒体功能障碍在MAFLD发病机制中起核心作用,其中线粒体功能受损被认为是MAFLD的标志[34]。有研究[35]表明,MAFLD患者肝组织呼吸链复合体的活性降低,这种机制障碍与血清肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、胰岛素抵抗和身体质量指数值相关。同时在对ob/ob糖尿病小鼠的研究中发现,ob/ob小鼠存在线粒体呼吸链功能障碍和肝脏损伤[36]。
然而,肝脏线粒体如何参与IF介导的代谢改变目前尚不十分清楚, 研究[34]表明,IF期间肝脏线粒体在糖异生中起着关键作用,糖异生将不同的碳前体(丙氨酸、丙酮酸、乳酸)转化为葡萄糖以供能。研究[37]显示,ADF通过抑制线粒体复合物Ⅱ活性促进肝脏代谢重编程,这表明肝脏中特定的线粒体异常可以激活代偿途径以改善全身健康。另有研究[38]表明,IF促进了肝脏线粒体生物能量特征的变化,使氧化磷酸化效率和能力整体降低,可能对肝脏能量代谢产生生理影响。
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide,NAD) 是一种对新陈代谢和 ATP 产生至关重要的辅酶,NAD依赖性脱乙酰酶sirtuin3(SIRT3)位于线粒体,调节参与线粒体代谢和体内平衡的线粒体蛋白的乙酰化水平。Fu et al[39]研究发现SLC25A51线粒体NAD转运蛋白是肝脏SIRT3功能所需的禁食诱导基因。在禁食期间,需要增加SLC25A51表达才能增强线粒体NAD摄取以维持SIRT3活性,此外,SLC25A51在肝细胞中的表达下调降低了线粒体NAD水平和SIRT3活性,肝脏中SLC25A51表达降低的小鼠表现出肝脏线粒体NAD水平降低,肝脏脂肪变性和高三酰甘油血症。
综上所述,肝脏线粒体参与IF介导的代谢改变目前虽不明确,据文献推测IF可以通过调节线粒体能量代谢过程等不同的途径调节线粒体功能,进而改善MAFLD。
3.4 IF通过影响自噬改善MAFLD自噬是吞噬自身细胞质蛋白或细胞器使其包被进入囊泡,并与溶酶体融合形成自噬溶酶体,降解其所包裹的内容物的过程,借此实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新[40]。肝脏自噬为饥饿的细胞提供氨基酸、葡萄糖和游离脂肪酸,用于能量生产和大分子的合成,还控制线粒体等细胞器的质量和数量,并通过一系列转录因子控制的特定产物的选择性周转,有助于维持基本的肝脏功能,包括糖原分解、糖异生和脂肪酸β氧化等[41]。
自噬功能与MAFLD的发病机制高度相关,包括巨自噬调节细胞胰岛素敏感性,代谢细胞脂质储存,介导肝细胞对氧化剂和细胞因子等有害刺激的抵抗以及防止先天免疫反应的过度激活的能力,调节自噬已成为治疗MAFLD的潜在靶点[42]。尽管 IF 激活MAFLD中自噬的分子机制仍有待进一步研究,但已证实 IF 介导的自噬激活是一种有效的针对MAFLD的保护策略。研究[43]表明,恩格列净通过激活自噬、减少内质网应激和细胞凋亡来减轻高脂肪饮食喂养ApoE小鼠中的非酒精性脂肪肝病。动物实验表明,IF会激活小鼠肝脏中的自噬标志物mTOR、LC3B[44]。Byun et al[45]研究发现禁食诱导的成纤维细胞生长因子-21(fibroblast growth factor-21,FGF-21)通过Jumonji-D3(JMJD3 / KDM6B)组蛋白去甲基化酶激活肝脏自噬和脂质降解,在MAFLD患者中,JMJD3、ATG7、LC3和ULK1在肝脏中表达显著降低。
自噬与糖脂代谢联系密切,为线粒体脂肪酸β氧化和ATP产生提供游离脂肪酸,在营养缺乏期间维持能量平衡起着关键作用[46]。此外,IF可恢复胰岛中的自噬通量,并通过增强葡萄糖刺激的胰岛素分泌、β 细胞存活和胰腺再生标志物 NEUROG3 的核表达来改善葡萄糖耐量[47]。
综上所述,线粒体自噬已被证明与MAFLD有关,通过线粒体自噬去除受损线粒体被认为是长期MAFLD发展中的保护机制,然而IF在肝脏线粒体自噬方面相关机制目前尚不明确。除了上述潜在机制外,另有文献[48]报道,IF在调节炎症、氧化应激、细胞死亡等方面也起着至关重要的作用,短期强化禁食可以通过改善中性粒细胞功能、增加细胞因子分泌、上调自噬和下调细胞凋亡来重塑人类先天免疫,但其与MAFLD发生发展的具体机制还有待于进一步探讨。
ADF是目前研究最多,最为流行,也最具代表性的IF方案,由于人体的代谢生理需要,完全意义上的ADF方案仅适用于动物实验,一种改良后的ADF方案应用于临床实践,即1 d内自由进食,随后禁食日满足自由进食日25%的能量需求。Trepanowski et al[49]探究ADF对肥胖成人减肥的影响,短期研究结果表明,参与者在隔日禁食3～7个月后体质量减轻了2%～3%,血脂、血压和胰岛素敏感性有所改善;长期研究结果表明,与热量限制相比,ADF并没有产生更好的依从性、减轻体质量作用。
TRE相比而言更受推崇,在T2MD患者中,TRE方案更方便、更安全,因为患者每天都会进食,且禁食时间不足以显著增加低血糖风险。TRE的疗效受进食时间窗的影响,早期eTRF和中午TRF(midday TRF,mTRF,食物摄入量限制在一天的中午)都被证明具有代谢益处,eTRF在改善胰岛素敏感性方面比mTRF更有效[11]。
一项试点研究旨在评价IF 5 ∶2改良版计划(禁食日满足日常30%的能量需求,非禁食日满足日常70%的能量需求)对中国超重或肥胖患者的疗效,结果表明,IF 5 ∶2改良版计划在中国超重或肥胖患者中短期内比每日热量限制更有效地减轻体质量,但仍需要进行更长期的前瞻性随机对照试验[50]。
综上可知,各种 IF 方案均表现出对代谢有益的积极影响,然而,不论采取何种禁食方式,都要注意蛋白质、水分、维生素和矿物质的合理摄入,以免机体出现营养不良等情况。
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